CN110687337A - 一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，用于光纤电流传感器的非线性自补偿，所述光纤电流传感器包括光电模块，所述光电模块包括相互连接的传感光路和闭环信号检测单元，所述光纤电流传感器还包括自补偿装置，自补偿装置包括保偏尾纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤及反射镜，保偏尾纤与相位延迟器以θ角对轴熔接或耦合，相位延迟器与椭圆双折射光纤以

角对轴熔接或耦合，反射膜镀于椭圆双折射光纤末端，椭圆双折射光纤首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于该光纤敏感环中；保偏尾纤还与传感光路的尾纤对轴熔接。本发明还提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，提升了光纤电流传感器大动态范围的线性度。

Description

一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤电流传感技术，尤其涉及一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置及方法。

背景技术

大电流技术在冶金、电力、国防军工、可控核聚变研究等领域应用广泛，准确的电流计量与安全生产、节能减排、产品质控及重大科学研究密切相关。基于Faraday(法拉第)磁光效应的干涉型光纤电流传感器具有测量精度高、动态范围大、频响范围宽(可同时测量交流和直流电流)、抗外磁场干扰能力强、便携性好等特点，在大电流测量领域具有广阔的应用前景。

光纤电流传感器采用反射式Sagnac干涉仪作为传感光路，利用1/4波片将两束正交的线偏振光转变为左旋和右旋圆偏振光，两束正交的圆偏振光在首尾闭合的光纤敏感环中往返传输，产生与被测电流成正比的相位差。由于光路结构的互易性，两束信号光的干涉光强仅携带被测电流产生的Faraday相移。干涉光强由光电探测器转化为电信号。

在信号处理方面，干涉型光纤电流传感器采用闭环信号检测技术，系统实时检测被测电流产生的Faraday相移，并产生一个与之大小相等、符号相反的反馈相移，将系统锁定在灵敏度最高的正交工作点上。闭环信号检测技术将非线性的余弦响应变成了线性响应，理论上，光纤电流传感器可以在极大的动态范围内保证高线性度。

椭圆双折射光纤是一种实用化的电流传感光纤，由保偏光纤预制棒拉丝的同时旋转形成，其双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋分布，螺距的大小由旋转周期和拉丝速度决定。描述这种光纤特性的两个重要参数是螺距L_t和线拍长L_b(未旋转状态下保偏光纤的拍长)，定义η＝2L_b/L_t。双折射主轴特殊的螺旋结构可以有效抑制线性双折射对电流传感的不利影响。与普通保偏光纤类似，常用的椭圆双折射光纤可以分为：熊猫型、领结型、椭圆芯型和光子晶体型。

椭圆双折射光纤的偏振本征模式是两束正交的椭圆偏振光，其椭圆度与η有关，η越大，偏振本征模越趋近于圆偏振光。实际中，η并不容易做到很大，通常在1～5之间。在这种情况下，进入椭圆双折射光纤敏感环的圆偏振光将无法保持偏振态，传感器闭环系统检测到的相位差除与被测电流产生的Faraday相移有关外，还与由线拍长和螺距决定的线性双折射和圆双折射有关。传感器的输出与被测电流成非线性关系，且被测电流越大，非线性越明显，这将严重制约光纤电流传感器大电流在大动态范围内的测量准确度。

目前，实用化的光纤电流传感器普遍采用椭圆双折射光纤作为传感光纤，采用1/4波片实现线偏振光到圆偏振光的转换。这样的传感器普遍存在非线性问题，由于非线性的影响，无法实现光纤大电流传感器测量精度的线性递推，在大电流下需要依赖校准装置对传感器进行校准，来保证大电流的测量精度。但是，对于数百kA甚至更大的超大电流，受限于大功率电源和标准电流传感器，很难建立校准装置，基于非线性误差模型的软件补偿方法难以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，本发明从椭圆双折射光纤敏感环的光学特性出发，采用相位延迟器代替传统的1/4波片，调整进入光纤敏感环的光波的偏振态，抑制了光纤电流传感器的非线性，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿。

本发明的问题之一，是这样实现的：

一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，用于光纤电流传感器的非线性自补偿，所述光纤电流传感器包括光电模块，所述光电模块包括相互连接的传感光路和闭环信号检测单元，所述光纤电流传感器还包括自补偿装置，所述自补偿装置包括保偏尾纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤及反射镜，所述保偏尾纤与相位延迟器以θ角对轴熔接或耦合，所述相位延迟器与椭圆双折射光纤以角对轴熔接或耦合，所述反射膜镀设于椭圆双折射光纤末端，所述椭圆双折射光纤首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于该光纤敏感环中；所述保偏尾纤还与传感光路的尾纤对轴熔接。

进一步地，所述自补偿装置中各参数的数值满足以下4个条件之一时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差与载流导体中的被测电流之间呈线性关系：

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

其中，η＝2L_b/L_t，L_t和L_b分别为椭圆双折射光纤的螺距和线拍长；δ为相位延迟器的延迟角度；θ为相位延迟器与保偏延迟光纤的对轴角度；

为相位延迟器与椭圆双折射光纤的对轴角度。

进一步地，所述保偏尾纤为熊猫型保偏光纤或领结型保偏光纤。

进一步地，所述相位延迟器为晶体波片或光纤波片，所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片。

进一步地，所述椭圆双折射光纤为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤。

进一步地，所述反射镜为介质膜或金属膜。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，本发明从椭圆双折射光纤敏感环的光学特性出发，采用相位延迟器代替传统的1/4波片，调整进入光纤敏感环的光波的偏振态，抑制了光纤电流传感器的非线性，实现了光纤电流传感器非线性的自补偿。

本发明的问题之二，是这样实现的：

一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，该自补偿方法需提供上述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，所述自补偿方法包括如下步骤：

步骤1、计算所述光纤电流传感器中闭环信号检测单元检测到的相位差与自补偿装置中各参数的定量关系；

步骤2、在单位长度内椭圆双折射光纤主轴的旋转角度τ>>单位长度内的法拉第旋转角f的条件下，对该相位差近似简化，得到所述光纤电流传感器的线性化条件；

步骤3、求解所述光纤电流传感器的线性化条件，得到所述自补偿装置中各参数的定量关系，所述自补偿装置中各参数包括所述保偏尾纤与相位延迟器之间的对轴角度θ、所述相位延迟器与椭圆双折射光纤之间的对轴角度

所述相位延迟器的延迟角度δ、所述椭圆双折射光纤的螺距L_t和椭圆双折射光纤的线拍长L_b；当所述自补偿装置中各参数满足该定量关系时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差与所述载流导体中的被测电流近似为线性关系；

步骤4、根据所述定量关系配置相位延迟器和椭圆双折射光纤的参数，抑制光纤电流传感器的非线性，实现光纤电流传感器非线性的自补偿。

进一步地，所述步骤1中所述光纤电流传感器中闭环信号检测单元检测到的相位差与自补偿装置中各参数的定量关系，表示为：

其中，Φ_S表示相位差；τ＝2π/L_t为单位长度内椭圆双折射光纤主轴的旋转角度，L_t为椭圆双折射光纤的螺距；γ＝2π/L_b为椭圆双折射光纤的线性双折射，L_b为椭圆双折射光纤的线拍长；f＝VNI/L为单位长度内的法拉第旋转角，V为椭圆双折射光纤的Verdet常数，N为椭圆双折射光纤圈数，I为被测电流，L为椭圆双折射光纤长度；δ为相位延迟器的延迟角度；θ为相位延迟器与保偏尾纤主轴之间的夹角；

为相位延迟器与椭圆双折射光纤主轴之间的夹角。

进一步地，所述步骤2中得到所述光纤电流传感器的线性化条件，该线性化条件表示为：

进一步地，所述步骤3中得到所述自补偿装置中各参数的定量关系，表示为：

当满足式(9)～式(12)之一的要求时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差Φ_S与被测电流I近似为线性关系，表示为：

本发明的优点在于：本发明实现了光纤电流传感器非线性的自补偿，在不增加现有光纤电流传感器软硬件的前提下保证了光纤电流传感器在大动态范围内的高线性度，降低了光纤电流传感器校准的技术难度，提升了光纤电流传感器的测量精度。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置的结构示意图。

图2为本发明一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法的执行流程图。

图中标号说明：

100-光纤电流传感器、10-光电模块、11-传感光路、12-闭环信号检测单元、20-自补偿装置、21-保偏尾纤、22-相位延迟器、23-椭圆双折射光纤、24-反射镜、25-光纤敏感环、26-载流导体。

具体实施方式

为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，用于光纤电流传感器的非线性自补偿，所述光纤电流传感器100包括光电模块10，所述光电模块10包括相互连接的传感光路11和闭环信号检测单元12，主要功能是发射和接收光信号，并从中解调出被测电流；所述光纤电流传感器100还包括自补偿装置20，所述自补偿装置20包括保偏尾纤21、相位延迟器22、椭圆双折射光纤23及反射镜24，所述保偏尾纤21与相位延迟器22以θ角对轴熔接或耦合，所述相位延迟器22与椭圆双折射光纤23以

角对轴熔接或耦合，所述反射膜24镀设于椭圆双折射光纤23末端，所述椭圆双折射光纤23首端与末端闭合形成光纤敏感环25，载流导体26穿设于该光纤敏感环25中；所述保偏尾纤21还与传感光路11的尾纤对轴熔接；由所述闭环信号检测单元12输出与所述载流导体26的被测电流成正比的相位差，实现光纤电流传感器100非线性的自补偿；

所述自补偿装置20中各参数的数值满足以下4个条件之一时，所述闭环信号检测单元12检测到的相位差与载流导体26中的被测电流之间呈线性关系：

a、δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

其中，η＝2L_b/L_t，L_t和L_b分别为椭圆双折射光纤23的螺距和线拍长；δ为相位延迟器22的延迟角度；θ为相位延迟器22与保偏延迟光纤21的对轴角度；

为相位延迟器22与椭圆双折射光纤23的对轴角度；满足以上四个条件之一时，所述闭环信号检测单元12输出的相位差与载流导体26中的被测电流成正比，具有线性关系，从而实现了光纤电流传感器100非线性的自补偿，提升了光纤电流传感器100的测量精度。

各部分的技术特征如下：

1、所述保偏尾纤21为熊猫型保偏光纤或领结型保偏光纤；

2、所述相位延迟器22为一定厚度的双折射晶体波片或一定长度的保偏光纤波片(具体的厚度或长度为d＝δ/Δβ，Δβ为晶体或保偏光纤的双折射)；所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片；

3、所述椭圆双折射光纤23指各种双折射主轴沿光纤轴向呈螺旋结构的高双折射光纤，为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤；

4、所述反射镜24为介质膜或金属膜，通过在椭圆双折射光纤23末端镀膜实现。

如图2所示，本发明的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，该自补偿方法需提供上述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，所述自补偿方法包括如下步骤：

步骤1、计算所述光纤电流传感器100中闭环信号检测单元12检测到的相位差与自补偿装置20中各参数的定量关系；该定量关系表示为：

其中，Φ_S表示相位差；τ＝2π/L_t为单位长度内椭圆双折射光纤23主轴的旋转角度，L_t为椭圆双折射光纤23的螺距；γ＝2π/L_b为椭圆双折射光纤23的线性双折射，L_b为椭圆双折射光纤23的线拍长；f＝VNI/L为单位长度内的法拉第旋转角，V为椭圆双折射光纤23的Verdet常数，N为椭圆双折射光纤23圈数，I为被测电流，L为椭圆双折射光纤23长度；δ为相位延迟器22的延迟角度；θ为相位延迟器22与保偏尾纤21主轴之间的夹角；

为相位延迟器22与椭圆双折射光纤23主轴之间的夹角；

步骤2、在单位长度内椭圆双折射光纤主轴的旋转角度τ>>单位长度内的法拉第旋转角f的条件下，对该相位差近似简化，得到所述光纤电流传感器100的线性化条件，该线性化条件表示为：

步骤3、求解所述光纤电流传感器100的线性化条件，得到所述自补偿装置20中各参数的定量关系，所述自补偿装置20中各参数包括所述保偏尾纤21与相位延迟器22之间的对轴角度θ、所述相位延迟器22与椭圆双折射光纤23之间的对轴角度

所述相位延迟器22的延迟角度δ、所述椭圆双折射光纤23的螺距L_t和椭圆双折射光纤23的线拍长L_b；所述自补偿装置20中各参数的定量关系，表示为：

当满足式(10)～式(13)之一的要求时，所述闭环信号检测单元12检测到的相位差Φ_S与被测电流I近似为线性关系，表示为：

步骤4、根据式(9)～式(12)任意之一来设置相位延迟器22和椭圆双折射光纤23的参数，进而调整了进入光纤敏感环25的光波的偏振态，抑制光纤电流传感器100的非线性，实现光纤电流传感器100非线性的自补偿，从而提高光纤电流传感器100大电流的测量精度。

综上所述，本发明的优点如下：

本发明实现了光纤电流传感器100非线性的自补偿，在不增加现有光纤电流传感器100软硬件的前提下保证了光纤电流传感器100在大动态范围内的高线性度，降低了光纤电流传感器100校准的技术难度，提升了光纤电流传感器100的测量准确度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，用于光纤电流传感器的非线性自补偿，所述光纤电流传感器包括光电模块，所述光电模块包括相互连接的传感光路和闭环信号检测单元，其特征在于：所述光纤电流传感器还包括自补偿装置，所述自补偿装置包括保偏尾纤、相位延迟器、椭圆双折射光纤及反射镜，所述保偏尾纤与相位延迟器以θ角对轴熔接或耦合，所述相位延迟器与椭圆双折射光纤以

角对轴熔接或耦合，所述反射膜镀设于椭圆双折射光纤末端，所述椭圆双折射光纤首端与末端闭合形成光纤敏感环，载流导体穿设于该光纤敏感环中；所述保偏尾纤还与传感光路的尾纤对轴熔接。

2.如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，其特征在于：所述自补偿装置中各参数的数值满足以下4个条件之一时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差与载流导体中的被测电流之间呈线性关系：

a、

δ＝90°，

b、

δ＝90°，

c、θ＝45°，

d、θ＝45°，

其中，η＝2L_b/L_t，L_t和L_b分别为椭圆双折射光纤的螺距和线拍长；δ为相位延迟器的延迟角度；θ为相位延迟器与保偏延迟光纤的对轴角度；

为相位延迟器与椭圆双折射光纤的对轴角度。

3.如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，其特征在于：所述保偏尾纤为熊猫型保偏光纤或领结型保偏光纤。

4.如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，其特征在于：所述相位延迟器为晶体波片或光纤波片，所述光纤波片为椭圆芯型保偏光纤波片、光子晶体保偏光纤波片、领结型保偏光纤波片或熊猫型保偏光纤波片。

5.如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，其特征在于：所述椭圆双折射光纤为熊猫型椭圆双折射光纤、领结型椭圆双折射光纤、椭圆芯型椭圆双折射光纤或椭圆双折射光子晶体光纤。

6.如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，其特征在于：所述反射镜为介质膜或金属膜。

7.一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，其特征在于：该自补偿方法需提供如权利要求1所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿装置，所述自补偿方法包括如下步骤：

步骤1、计算所述光纤电流传感器中闭环信号检测单元检测到的相位差与自补偿装置中各参数的定量关系；

步骤2、在单位长度内椭圆双折射光纤主轴的旋转角度τ>>单位长度内的法拉第旋转角f的条件下，对该相位差近似简化，得到所述光纤电流传感器的线性化条件；

步骤3、求解所述光纤电流传感器的线性化条件，得到所述自补偿装置中各参数的定量关系，所述自补偿装置中各参数包括所述保偏尾纤与相位延迟器之间的对轴角度θ、所述相位延迟器与椭圆双折射光纤之间的对轴角度

所述相位延迟器的延迟角度δ、所述椭圆双折射光纤的螺距L_t和椭圆双折射光纤的线拍长L_b；当所述自补偿装置中各参数满足该定量关系时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差与所述载流导体中的被测电流近似为线性关系；

步骤4、根据所述定量关系配置相位延迟器和椭圆双折射光纤的参数，抑制光纤电流传感器的非线性，实现光纤电流传感器非线性的自补偿。

8.如权利要求7所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，其特征在于：所述步骤1中所述光纤电流传感器中闭环信号检测单元检测到的相位差与自补偿装置中各参数的定量关系，表示为：

其中，Φ_S表示相位差；τ＝2π/L_t为单位长度内椭圆双折射光纤主轴的旋转角度，L_t为椭圆双折射光纤的螺距；γ＝2π/L_b为椭圆双折射光纤的线性双折射，L_b为椭圆双折射光纤的线拍长；f＝VNI/L为单位长度内的法拉第旋转角，V为椭圆双折射光纤的Verdet常数，N为椭圆双折射光纤圈数，I为被测电流，L为椭圆双折射光纤长度；δ为相位延迟器的延迟角度；θ为相位延迟器主轴与保偏尾纤主轴之间的夹角；

为相位延迟器主轴与椭圆双折射光纤主轴之间的夹角。

9.如权利要求8所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，其特征在于：所述步骤2中得到所述光纤电流传感器的线性化条件，该线性化条件表示为：

10.如权利要求9所述的一种抑制光纤电流传感器非线性的自补偿方法，其特征在于：所述步骤3中得到所述自补偿装置中各参数的定量关系，表示为：

当满足式(9)～式(12)之一的要求时，所述闭环信号检测单元检测到的相位差Φ_S与被测电流I近似为线性关系，表示为：